一種腔內(nèi)像差補(bǔ)償非穩(wěn)腔激光器及其像差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種腔內(nèi)像差補(bǔ)償非穩(wěn)腔激光器及其像差 補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光技術(shù)自上世紀(jì)六十年代至今高速發(fā)展，同時(shí)，又與其他高新技術(shù)相互滲透，在 材料加工、醫(yī)療、軍事、測(cè)量及科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等眾多領(lǐng)域有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。激光技術(shù)發(fā) 展過(guò)程中，人類(lèi)始終不斷追求獲得功率更高、光束質(zhì)量更好的激光輸出。其中，非穩(wěn)腔因其 具有大尺寸模場(chǎng)、較強(qiáng)的模式鑒別能力、較高像差容忍度、對(duì)光軸失準(zhǔn)不太敏感等優(yōu)點(diǎn)，是 實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的主要技術(shù)途徑之一，且其可W獲得環(huán)形光斑的激光輸 出，適于卡塞格林系統(tǒng)發(fā)射實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸和聚焦。但是，諧振腔內(nèi)的各種像差不可避 免的存在，尤其是被高功率密度累浦的固體增益介質(zhì)，其光學(xué)像差尤為顯著，其會(huì)影響振蕩 激光特征，在降低交疊效率影響輸出功率的同時(shí)，隨著腔內(nèi)復(fù)雜的像差演化行為，最終輸出 激光將產(chǎn)生介質(zhì)光學(xué)像差數(shù)倍的波前崎變，嚴(yán)重降低輸出激光的光束質(zhì)量，且激光波面OPD 分布和腔內(nèi)像差分布沒(méi)有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)補(bǔ)償。此外，因?yàn)樵贕參 數(shù)平面上非穩(wěn)腔的工作點(diǎn)接近臨界區(qū)域，當(dāng)腔內(nèi)元件具有高階像差時(shí)，很容易在腔內(nèi)出現(xiàn) 局部孔徑區(qū)域的無(wú)禪合輸出穩(wěn)腔振蕩，從而在運(yùn)一小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)高于平均腔內(nèi)光強(qiáng)1至2 個(gè)數(shù)量的局部強(qiáng)點(diǎn)，運(yùn)些強(qiáng)點(diǎn)很容易導(dǎo)致腔內(nèi)元件的損壞，降低激光器的可靠性。
[0003] 為了改善腔內(nèi)像差對(duì)非穩(wěn)腔激光器的不利影響，目前，國(guó)內(nèi)外研究在兩個(gè)方面做 了大量工作。第一個(gè)方面是竟可能降低腔內(nèi)光學(xué)像差，具體包括采用高速流動(dòng)的氣體增益 介質(zhì)或采用非約束封裝且均勻冷卻的固體介質(zhì)，提高累浦均勻性等。但是受技術(shù)水平和具 體應(yīng)用需求限制，很多情況下，高功率非穩(wěn)腔激光器腔內(nèi)光學(xué)像差仍然較強(qiáng)。第二個(gè)方面是 在腔內(nèi)放置特別的補(bǔ)償裝置，對(duì)腔內(nèi)像差進(jìn)行補(bǔ)償，本發(fā)明也屬于運(yùn)一范疇。目前公開(kāi)的非 穩(wěn)腔腔內(nèi)補(bǔ)償方法有W下幾種：
[0004] 1.美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的熱容激光器基于幾何近似離線(xiàn)計(jì)算的變 形鏡補(bǔ)償方式，在其系統(tǒng)中使用的變形鏡具有192單元，行程達(dá)到10 ym。運(yùn)種補(bǔ)償方法的 原理是根據(jù)腔參數(shù)和變形鏡腔內(nèi)位置，在幾何光學(xué)近似下，離線(xiàn)計(jì)算獲得變形鏡面形和往 返測(cè)量光束波面變化量的關(guān)系，獲得往返探測(cè)面形和變形鏡單元位移量之間的反向關(guān)系矩 陣，再根據(jù)往返測(cè)量光束波面驅(qū)動(dòng)變形鏡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。其像差補(bǔ)償需要基于非穩(wěn)腔內(nèi)的 往返測(cè)量，但是其采用了一種基于偏振態(tài)變化的探測(cè)光路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腔內(nèi)插入元件多，當(dāng) 腔內(nèi)激光增益介質(zhì)具有熱應(yīng)力致退偏效應(yīng)后會(huì)影響探測(cè)效果。因?yàn)槠洳捎昧藥缀谓朴?jì)算 補(bǔ)償面型而忽略光線(xiàn)通過(guò)像差元件后傳輸方向的偏折，只能適用于類(lèi)似于透射板條熱容激 光器等像差較小、高階像差成分較少的激光器，不具有普遍適用性。 陽(yáng)0化]2.美國(guó)波音公司的孔:YAG薄片激光器采用了共輛成像固定補(bǔ)償方案。其系 統(tǒng)中有超過(guò)10片薄片狀增益介質(zhì)，單個(gè)薄片具有極高的加工質(zhì)量，靜態(tài)波前崎變不大于 1/10A，A等于632. 8nm，為了避免產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)態(tài)像差，其利用復(fù)雜的多通累浦機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 了很高的累浦均勻性。在此基礎(chǔ)上其還需要在腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)薄片間4f共輛成像，使各薄片波前 崎變成像于提供補(bǔ)償?shù)奈幌喟迳希⒃诠ぷ髦欣米兘雇哥R對(duì)熱致離焦實(shí)時(shí)補(bǔ)償，運(yùn)種光 束質(zhì)量控制手段對(duì)腔內(nèi)元件要求高，諧振腔內(nèi)元件多，并且4f成像光學(xué)元件焦距及系統(tǒng)尺 寸與增益區(qū)尺寸相關(guān)，即運(yùn)種方式不適用于大口徑增益介質(zhì)的非穩(wěn)腔固體激光器，具有較 強(qiáng)的局限性。
[0006] 3.美國(guó)達(dá)信公司的"化inzag"激光器采用了單程探測(cè)分段變形鏡獨(dú)立補(bǔ)償方案， 其非穩(wěn)腔內(nèi)每個(gè)增益模塊包含一套獨(dú)立的主動(dòng)光學(xué)崎變補(bǔ)償系統(tǒng)，即對(duì)每個(gè)增益單元使用 探測(cè)光源和哈特曼探測(cè)器獨(dú)立測(cè)量、并用變形鏡獨(dú)立補(bǔ)償。在每個(gè)補(bǔ)償單元中，其采用4f 成像系統(tǒng)將增益板條成像于變形鏡上，并根據(jù)單通測(cè)量光波面實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。運(yùn)種補(bǔ)償方式腔 內(nèi)插入元件較多，系統(tǒng)復(fù)雜，且因?yàn)樵鲆姘鍡l具有一定長(zhǎng)度，不能和變形鏡實(shí)現(xiàn)理想的共輛 關(guān)系，腔內(nèi)補(bǔ)償后，仍不能達(dá)到預(yù)期的光束質(zhì)量提升效果。
[0007] 上述幾種方法雖然較像差補(bǔ)償前提升了輸出激光的光束質(zhì)量，但是它們都具有很 強(qiáng)的局限性，無(wú)法有效用于具有強(qiáng)像差，尤其是包含較多高階像差的大口徑增益介質(zhì)非穩(wěn) 腔激光器。同時(shí)，運(yùn)些方法或者對(duì)光學(xué)元件加工質(zhì)量要求很高，或者諧振腔中插入元件很 多，或者需要使用多個(gè)補(bǔ)償元件成本高昂而無(wú)法推廣使用。
[0008] 此外，在腔外激光光束凈化、整形等工作中，為了避免復(fù)雜的補(bǔ)償元件面型解析計(jì) 算，可W采用遺傳算法、模擬退火算法等全局優(yōu)化算法通過(guò)多次補(bǔ)償嘗試，檢測(cè)補(bǔ)償后光束 狀態(tài)，尋找相對(duì)最優(yōu)的補(bǔ)償面型。但是，因?yàn)楦吖β史欠€(wěn)腔中往返激光具有不同尺寸，激光 非均勻提取存在著顯著的熱光禪合問(wèn)題，即激光增益介質(zhì)的非均勻生熱、熱致像差、腔內(nèi)振 蕩激光強(qiáng)度分布相互影響，當(dāng)腔內(nèi)引入隨機(jī)的像差補(bǔ)償，會(huì)導(dǎo)致振蕩激光強(qiáng)度劇烈變化，從 而產(chǎn)生介質(zhì)生熱分布和像差的改變，使得全局算法迭代難于收斂。在高功率激光器中，甚至 可能因?yàn)橐腚S機(jī)像差導(dǎo)致振蕩激光強(qiáng)度劇烈降低或無(wú)法起振，激光增益介質(zhì)生熱率急劇 增長(zhǎng)而導(dǎo)致元件損壞。因此運(yùn)種方法無(wú)法用于非穩(wěn)腔腔內(nèi)像差主動(dòng)補(bǔ)償。
[0009] 如上所述，目前，非穩(wěn)腔內(nèi)像差補(bǔ)償運(yùn)一技術(shù)短板給非穩(wěn)腔在高能激光中應(yīng)用帶 來(lái)了困難和制約。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種腔內(nèi)像差補(bǔ)償非穩(wěn)腔激光器及其像差補(bǔ)償 方法，可利用其對(duì)各種類(lèi)型增益介質(zhì)和工作體制增益介質(zhì)的光學(xué)像差實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)像差補(bǔ)償； 無(wú)需在腔內(nèi)放置成像光學(xué)元件將腔內(nèi)元件相互成像，也無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的補(bǔ)償面型直接解析 求解。
[0011] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：
[0012] 一種腔內(nèi)像差補(bǔ)償非穩(wěn)腔激光器，包括非穩(wěn)腔腔鏡、禪合輸出鏡、激光增益介質(zhì)、 累浦裝置、探測(cè)光源、探測(cè)光導(dǎo)入鏡、探測(cè)光導(dǎo)出鏡、探測(cè)光波前探測(cè)器和至少一個(gè)補(bǔ)償元 件；
[0013] 所述探測(cè)光源，其用于提供探測(cè)光束，其中所述探測(cè)光束傳輸?shù)教綔y(cè)光導(dǎo)入鏡處 與此處同向傳輸?shù)睦硐敕欠€(wěn)腔本征模式光束具有相同波面，且所述探測(cè)光束在腔內(nèi)每個(gè)像 差元件處的光束尺寸與此處同向傳輸?shù)睦硐敕欠€(wěn)腔本征模式光束尺寸匹配；
[0014] 所述探測(cè)光導(dǎo)入鏡和探測(cè)光導(dǎo)出鏡為平面鏡，其放置位置實(shí)現(xiàn)所述探測(cè)光束在探 測(cè)光導(dǎo)入鏡處與此處同向傳輸?shù)睦硐敕欠€(wěn)腔本征模式光束同軸同屯、，沿著激光光軸在腔內(nèi) 往返傳輸一次后導(dǎo)出腔外，且探測(cè)光導(dǎo)入鏡和探測(cè)光導(dǎo)出鏡之間不存在產(chǎn)生像差的光學(xué)元 件；
[0015] 所述探測(cè)光波前探測(cè)器，其用于探測(cè)探測(cè)光導(dǎo)出鏡導(dǎo)出的探測(cè)光束；
[0016] 所述補(bǔ)償元件，其用于補(bǔ)償非穩(wěn)腔腔內(nèi)像差。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：探測(cè)光波前探測(cè)器探測(cè)探測(cè)光導(dǎo)出鏡導(dǎo)出的探測(cè)光束，基 于探測(cè)光導(dǎo)出鏡導(dǎo)出的探測(cè)光束，修正補(bǔ)償元件的光程調(diào)制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)腔腔內(nèi)像差補(bǔ) 償；可W對(duì)腔內(nèi)具有較強(qiáng)光學(xué)崎變的非穩(wěn)腔進(jìn)行主動(dòng)光學(xué)補(bǔ)償，獲得高質(zhì)量激光輸出；補(bǔ) 償方法與非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)、增益元件特征、補(bǔ)償元件種類(lèi)等因素?zé)o關(guān)，具有很強(qiáng)的普適性；采用 自然偏振或隨機(jī)偏振的探測(cè)光束，腔內(nèi)無(wú)需插入偏振性的位相延遲元件或偏振選擇元件， 插入損耗小，且無(wú)退偏影響；使用基于往返探測(cè)光束的波面，逐次逼近補(bǔ)償獲得最優(yōu)光程調(diào) 制函數(shù)，避免由激光波面反向求解腔內(nèi)像差、腔內(nèi)補(bǔ)償光程分布的復(fù)雜數(shù)學(xué)求解，降低了算 法復(fù)雜性的同時(shí)，提高了補(bǔ)償求解速率，對(duì)隨時(shí)間變化的腔內(nèi)像差具有更強(qiáng)的補(bǔ)償能力；可 W在腔內(nèi)放置多個(gè)補(bǔ)償元件，每個(gè)補(bǔ)償元件的最優(yōu)光程調(diào)制函數(shù)不需要分別求解；本發(fā)明 整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于調(diào)試、維護(hù)，其中使用元件均為商用元件和便于定制加工的元件，具有 很強(qiáng)的可實(shí)施性。
[001引在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可W做如下改進(jìn)。
[0019] 進(jìn)一步，所述探測(cè)光導(dǎo)入鏡導(dǎo)入探測(cè)光束的一面和所述探測(cè)光導(dǎo)出鏡導(dǎo)出探測(cè)光 束的一面鍛有針對(duì)激光的增透膜和針對(duì)探測(cè)光束的部分反射膜；所述探測(cè)光導(dǎo)入鏡的另一 面和所述探測(cè)光導(dǎo)出鏡的另一面鍛有針對(duì)激光和探測(cè)光束的增透膜。
[0020] 采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，在減小探測(cè)光導(dǎo)入鏡和探測(cè)光導(dǎo)出鏡對(duì)腔內(nèi) 振蕩激光影響的同時(shí)，增強(qiáng)導(dǎo)出的探測(cè)光束，利于獲取導(dǎo)出的探測(cè)光束的波面分布信息，提 高補(bǔ)償效果。
[0021] 進(jìn)一步，所述補(bǔ)償元件為固定補(bǔ)償元件或可變補(bǔ)償元件；當(dāng)所述補(bǔ)償元件為可變 補(bǔ)償元件時(shí)，還包括用于驅(qū)動(dòng)所述可變補(bǔ)償元件的光程調(diào)制函數(shù)發(fā)生變化的控制驅(qū)動(dòng)器。
[0022] 采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，當(dāng)補(bǔ)償元件為固定補(bǔ)償元件時(shí)，則制備具有 目標(biāo)修正光程調(diào)制函數(shù)的新的固定補(bǔ)償元件，并將所述新的固定補(bǔ)償元件替換原有的固定 補(bǔ)償元件；當(dāng)補(bǔ)償